一种深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统与方法与流程

1.本发明涉及矿井水处理领域，具体涉及一种深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统与方法。


背景技术：

2.据全国煤炭资源预测和评价表明，我国已探明煤炭资源总量为5.57万亿吨，其中，1000m以浅的煤炭资源总量为2.86万亿吨，已采储量约为70％左右。今后我国的主体能源后备储量将主要是埋深在1000m到2000m之间的深部煤炭资源。
3.近年来随着开采强度的加大，我国中西部矿井也出现高温热害，如果义马矿区等。据不完全统计，我国已有超过100对矿井工作面温度高达30～40℃。随着东、西部矿井开采深度的增加，井下高温热害是矿井普遍正在或将要面临的持续性灾害。
4.我国西部地区赋存着丰富的煤炭资源，但西部晋陕蒙宁甘区域水资源仅占全国的6.8％，属于严重缺水区和生态脆弱区。近年来由于我国煤炭开采形成的大面积沉陷和采空区，导致地下水局部下降，形成了大面积地下水降水漏斗，造成了一系列环境地质问题。据统计，全国每年煤炭开采沉陷面积达到15万平方公里，类比地下水超采形成的地下水漏斗面积比计算，漏斗面积可达0.88倍。煤矿地下水库是充分利用煤炭开采形成的采空区进行水库建设形成的地下水保存设施，矿井水是地下水库的主要水源，尤其是在西部矿区，矿井水资源常常作为井下生产和地面矿区生活用水。
5.在将矿井水用于井下生产和井上生活的过程中，常常遇到矿井水的水质不达标的问题，需要进行水质处理。目前普遍采用的是在地面建立水处理系统，亦难以适用于深部煤矿。
6.一般矿井水在经过去除悬浮物和脱盐浓缩后，都会产生一部分高含盐量的浓水。随着环保要求的日益增加，西部绝大部分矿区已要求矿井水实现零排放，常规零排放的概念是在地面经过预处理、深度处理、浓缩和蒸发结晶的全过程，真正实现水和杂质的完全分离，成本较传统的深度处理要高很多。而井下随着开采的深入，在采矿的同时开拓了较大的地下空间，存在着矿井水井下处理与浓盐水封存的可能性。
7.由于井下空间有限，目前常用的井下处理方式主要是高密度沉降技术、超磁分离技术和采空区过滤技术等，主要目的是去除矿井水中的悬浮物。而矿井水特别是高矿化度矿井水处理的关键工艺是脱盐。对于超高矿化度矿井水，传统膜法工艺往往需要多级反渗透，且产水质量较热法水处理质量差，存在诸多不稳定性；而地面采用的热法水处理工艺，占地面积大，投资成本高，耗能巨大，对于煤矿井下水处理系统要求的小型化、模块化、防爆等特性无法满足，亟需提出更符合井下使用的水处理新工艺。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统与方法，以解决在深部开采遇到的高温热害、矿井水处理和浓盐水封存的问题。
9.为实现上述发明目的，本发明提供的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统采用技术方案如下：
10.一种深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统，包括：
11.预处理单元，用于对矿井水进行混凝沉淀并除去矿井水中的悬浮颗粒物；
12.超滤单元，用于对来自所述预处理单元的矿井水进行超滤处理，得到超滤产水；
13.反渗透单元，用于对所述超滤产水进行反渗透处理，以得到反渗透产水和反渗透浓水；
14.热泵，用于将所述反渗透产水与来自换热器的冷凝水的混合液的热量转移至所述反渗透浓水，并排出由所述混合液降温而来的凉水以及升温后的反渗透浓水；
15.换热器，用于将来自所述热泵的升温后的反渗透浓水与来自蒸汽压缩机的升温蒸汽进行换热，得到二次升温反渗透浓水以及由所述升温蒸汽降温而来的冷凝水；
16.膜蒸馏单元，用于对来自所述换热器的二次升温反渗透浓水进行蒸馏以进一步浓缩，得到浓盐水以及由膜蒸馏单元的蒸馏膜产水侧产生的蒸汽；
17.蒸汽压缩机，用于对来自所述膜蒸馏单元的蒸汽进行加压做功以提升蒸汽温度，并将升温后的蒸汽送入所述换热器；
18.浓盐水地下水库，用于接收并储存来自所述膜蒸馏单元的浓盐水；和
19.降温工作站，用于使工作面送风与来自所述热泵的凉水换热降温，并将降温后的空气送去综采工作面进行工作面降温。
20.本发明所提供的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法采用技术方案如下：
21.一种深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法，在于利用上述深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统对矿井水进行处理。
22.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，在所述预处理单元中，矿井水在井下预处理调节池中进行混凝沉降后，上清液经过溢流收集后由泵送入超滤单元。
23.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，进入所述超滤单元的上清液的悬浮物含量不大于20mg/l，并且将所述超滤单元的超滤反冲洗水返回到预处理单元重新处理；优选地，所述上清液在进入所述超滤单元前进一步经过滤脱除悬浮物。
24.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，将所述反渗透产水在所述热泵的吸热端进行冷却降温至15～20℃的低温产水；将所述反渗透浓水在所述热泵的加热端加热升温至40～50℃。
25.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，经所述热泵加热后的反渗透浓水进一步送入所述换热器加热到65～75℃。
26.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，所述膜蒸馏单元产生的蒸汽温度为50～70℃，送入所述蒸汽压缩机后提高温度到100～120℃。
27.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，所述降温工作站采用间壁式换热的方式使所述凉水与矿井内的热空气进行换热，降温后的空气送入综采工作面进行工作面降温，换热后的反渗透产水送入产水罐，进行生产回用。
28.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，所述
浓盐水地下水库为在采空区通过混凝土对预留煤柱、顶板岩层及底板岩层进行防水密封加固所形成的储水空间。
29.在本发明的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法的一种实施方式中，在所述深部煤矿矿井中，煤层埋深在1000m到2000m之间，综采工作面温度在30～40℃之间。
30.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.本发明将地下水库中的矿井水通过预处理、超滤和反渗透的方式进行处理，反渗透模块产水通过水源热泵提取热能，用于反渗透浓水的加热，随后浓水经过二级换热器后进入膜蒸馏，膜蒸馏工艺中的产水侧介质中的废热通过换热循环用于进水侧的预加热，进而实现膜蒸馏工艺中的节能。与此同时，反渗透产水通过水源热泵提取热能后，低温的产水用于井下降温，降温工作站将深部工作面的进风冷却，热量通过闭合循环输运回热泵作为热源补充，从而，本发明不仅可以实现矿井水井下处理，同时可以实现矿进水热能综合利用，在不需要输入外部热源的条件下，实现热量循环利用。
附图说明
32.图1为本发明的系统的一种实施方式示意图；
33.图中标记说明如下：1-预处理单元；2-超滤单元；3-反渗透单元；4-热泵；5-换热器；6-膜蒸馏单元；7-蒸汽压缩机；8-浓盐水地下水库；9-降温工作站；10-综采工作面。
具体实施方式
34.下面结合实施例和附图，对本本发明予以进一步的说明，但本发明并不仅限于此。
35.如图1所示，本发明提供的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的系统，包括预处理单元1、超滤单元2、反渗透单元3、热泵4、换热器5、膜蒸馏单元6、蒸汽压缩机7、浓盐水地下水库8和降温工作站9。
36.其中，所述预处理单元1用于对矿井水进行混凝沉淀并除去矿井水中的悬浮颗粒物；所述超滤单元2的进水口连接至预处理单元1，用于对来自所述预处理单元的矿井水进行超滤处理，得到超滤产水；所述反渗透单元3连接至所述超滤单元2的超滤产水出水口，用于对所述超滤产水进行反渗透处理，以得到反渗透产水和反渗透浓水；所述热泵4用于将所述反渗透产水与来自换热器5的冷凝水的混合液的热量转移至所述反渗透浓水，并排出由所述混合液降温而来的凉水以及升温后的反渗透浓水；所述换热器5用于将来自所述热泵5的升温后的反渗透浓水与来自蒸汽压缩机7的升温蒸汽进行换热，得到二次升温反渗透浓水以及由所述升温蒸汽降温而来的冷凝水；所述膜蒸馏单元6连接至所述换热器5的二次升温反渗透浓水出水口，用于对来自所述换热器5的二次升温反渗透浓水进行蒸馏以进一步浓缩，得到浓盐水以及由膜蒸馏单元7的蒸馏膜产水侧产生的蒸汽；所述蒸汽压缩机7连接至所述膜蒸馏单元6的蒸汽出口，用于对来自所述膜蒸馏单元6的蒸汽进行加压做功以提升蒸汽温度，并将升温后的蒸汽送入所述换热器5；所述浓盐水地下水库8连接所述膜蒸馏单元8的浓盐水出口，用于接收并储存来自所述膜蒸馏单元8的浓盐水；所述降温工作站9用于使准备送往工作面的送风(井下热空气)与来自所述热泵4的凉水换热降温，并将降温后的空气送去综采工作面10进行工作面降温。
37.本发明的系统运行时，矿井水(水温25～35℃)在井下预处理单元1经过混凝、沉淀
并去除悬浮物预处理后，送入超滤单元2，经过超滤单元2过滤后产水达到反渗透入水要求，进一步送入反渗透单元3进行脱盐处理，超滤反冲洗水返回到预处理单元1重新处理。经过反渗透单元3处理的矿井水形成矿化度较低低的反渗透产水和矿化度较高的反渗透浓水，反渗透产水和来自换热器5的冷凝液的混合液与热泵4的吸热端进行热交换，放热后形成温度为15～20℃的低温凉水，该凉水进一步被送入井下降温工作站9，采用间壁降温的方式与矿井内的热空气进行换热，降温后的空气送入综采工作面10进行工作面降温，换热后的凉水送入产水罐，作为回用水进行生产回用。反渗透单元3产生的浓水经过热泵4的加热端加热，温度达到40～50℃。加热后的浓水进一步送入换热器5与来自蒸汽压缩机7的热蒸汽换热被加热到65～75℃，然后送入膜蒸馏单元6进行进一步浓缩处理。经过膜蒸馏单元6浓缩产生的浓盐水被送入浓盐水地下水库8进行存储，产生的蒸汽(50～70℃)送入蒸汽压缩机7后提高温度到100～120℃，再送入换热器5与经过热泵4提温后的反渗透浓水进行换热，将反渗透浓水加热到65～75℃。蒸汽经过换热所得的冷凝水与反渗透产水汇合，与热泵4的吸热端进行热交换。
38.本发明所提供的深部煤矿矿井水处理及热能综合利用的方法，在于利用上述系统对矿井水进行处理。其中，在所述预处理单元1中，矿井水在井下预处理调节池中进行混凝沉降后，上清液经过溢流收集后由泵送入超滤单元2。进入所述超滤单元2的上清液的悬浮物含量不大于20mg/l，比如10mg/l或15mg/l，并且将所述超滤单元2的超滤反冲洗水返回到预处理单元1重新处理；优选地，所述上清液在进入所述超滤单元前进一步经过滤脱除悬浮物比如经过管道过滤器或陶瓷膜过滤器过滤。超滤产水经反渗透处理浓缩后，将所述反渗透产水在所述热泵4的吸热端进行冷却降温以得到15～20℃的凉水；将所述反渗透浓水在所述热泵4的加热端加热升温至40～50℃比如45℃。经所述热泵加热后的反渗透浓水进一步送入所述换热器5加热到65～75℃比如70℃。所述膜蒸馏单元6产生的蒸汽温度为50～70℃比如60℃，将产生的蒸汽送入所述蒸汽压缩机7处理后蒸汽提高温度到100～120℃比如110℃。所述降温工作站9采用间壁式换热的方式使所述凉水与矿井内的热空气进行换热，降温后的空气送入综采工作面10进行工作面降温，换热后的反渗透产水送入产水罐，作为回用水进行生产回用。所述浓盐水地下水库8为在采空区通过混凝土对预留煤柱、顶板岩层及底板岩层进行防水密封加固所形成的储水空间。在所述深部煤矿矿井中，煤层埋深在1000m到2000m之间，综采工作面温度在30～40℃之间。
39.以下实施例用于说明本发明的矿井水处理方法和系统。
40.采用图1所示的系统，悬浮物含量500mg/l、矿化度4000mg/l的矿井水(水温33℃)在井下预处理调节池进行混凝沉降(添加pac和pam)后，上清液(悬浮物含量低于20mg/l)经过溢流收集后由泵送入超滤单元，经过超滤后产水浊度低于0.1ntu，sdi低于0.5。超滤产水(水温33℃)送入反渗透单元进行浓缩，产生的矿化度低于100mg/l的清水(水温33℃)，该清水与换热器产生的冷凝水进行混合，产生45℃的混合液。混合液被送入热泵进行降温，产生15℃的凉水，凉水被送入井下降温工作站，通过与井下热空气(38℃)进行换热，温度变为20℃，空气温度降为26℃，然后被输送到工作面进行降温。热泵从混合液处吸收的热量经过做功提质量，在放热端与反渗透浓水进行换热，将反渗透浓水由33℃升温到50℃，然后进一步被蒸汽压缩机产生的蒸汽在换热器加热到75℃，之后被送入膜蒸馏单元进行浓缩。膜蒸馏单元产生的浓盐水被送入浓盐水地下水库进行存储，蒸馏膜产水侧产生的蒸汽(50℃)被蒸
汽压缩机加压做功后提升温度到120℃，然后送入换热器加热经热泵升温后的反渗透浓水，蒸汽经换热器换热降温后的产生的冷凝水被送到反渗透产水处进行混合。